信息物理融合系統(tǒng)環(huán)境下軌道交通信號安全控制規(guī)劃研究*

方宇恒 徐中偉 彭 聰

（同濟大學電子與信息工程學院，201804，上海∥第一作者，碩士研究生）

現(xiàn)在無論是在城市軌道交通還是鐵路的信號控制系統(tǒng)中，都是采取集中式控制方式進行安全控制。由于控制設備種類眾多，很多功能紛繁復雜且相互冗余重疊。當其中一個集中控制器產(chǎn)生故障時，往往會對運營具有較大影響，甚至造成大面積停運等事故。

隨著網(wǎng)絡通信、控制工程和計算機科學等技術(shù)的日益發(fā)展，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得越來越復雜且具有廣泛的空間分布。而分布式控制系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中的應用已經(jīng)在逐步取代原有的傳統(tǒng)集中式控制系統(tǒng)，因為它可以消除集中式控制系統(tǒng)靈活性低、可拓展性低和魯棒性不高等劣勢［1］。

本文將分布式控制系統(tǒng)運用于列車控制系統(tǒng)中，使整個軌道交通系統(tǒng)通過車-車節(jié)點、車-地面節(jié)點和地面節(jié)點之間的互相通信協(xié)同工作來完成對于列車的控制任務。整個控制過程都是分布式的，這樣可將軌道交通分布式控制系統(tǒng)的各個傳感器或控制器結(jié)合并抽象成各類節(jié)點，并根據(jù)其拓撲關(guān)系組成網(wǎng)絡。

另外，本文進一步提出將信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，以下簡稱CPS）運用到軌道交通分布式控制系統(tǒng)當中，使整個軌道交通控制系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡相融合。利用CPS在保證行車安全、提高運輸效率［2］的約束條件下使系統(tǒng)的靈活性、可拓展性和魯棒性等方面得到提高。

1 CPS體系結(jié)構(gòu)

CPS指信息計算和物理過程緊密結(jié)合與協(xié)作的系統(tǒng)。CPS是通過網(wǎng)絡將信息世界與物理世界聯(lián)系在一起而構(gòu)成的一種大型、異構(gòu)、分布式實時系統(tǒng)，如圖1所示。CPS的特征為：可靠感知、實時傳輸、普適計算、精確控制、可信服務［3］。CPS在對物理環(huán)境可靠感知的基礎上，通過網(wǎng)絡的實時傳輸，利用信息世界的普適計算和信息處理能力，實現(xiàn)對物理世界的精確控制，為人們提供可信高效的服務。

圖1 CPS體系結(jié)構(gòu)示意圖

CPS體系結(jié)構(gòu)是CPS研究和開發(fā)的基礎。CPS強調(diào)計算和物理的緊密結(jié)合，同時也強調(diào)了網(wǎng)絡化。分析可知，整個CPS中最核心的任務實際上是信息處理，感知物理世界獲取信息，然后對信息進行處理做出決策，給控制單元發(fā)送指令。在現(xiàn)實環(huán)境中，大量的傳感器以無線通信方式自組織成網(wǎng)絡，協(xié)同完成對物理環(huán)境或物理對象的監(jiān)測感知。傳感器網(wǎng)絡對感知數(shù)據(jù)做進一步的數(shù)據(jù)融合處理，將得到的信息通過網(wǎng)絡基礎設施傳遞給決策控制單元；決策控制單元與執(zhí)行器通過網(wǎng)絡化分別實現(xiàn)協(xié)同決策與協(xié)同控制。

CPS是運行在不同時間和空間范圍的閉環(huán)（多閉環(huán)）系統(tǒng)，而且感知、決策和控制執(zhí)行子系統(tǒng)大多不在同一位置。邏輯上緊密耦合的基本功能單元依托于擁有強大計算資源和數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡基礎設施（如Internet、數(shù)據(jù)庫/知識庫服務器和其他類型數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡等），構(gòu)成了CPS完整的體系結(jié)構(gòu)，使之能夠?qū)崿F(xiàn)本地或者遠程監(jiān)測并影響物理環(huán)境。各種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)構(gòu)成了CPS最為基本的骨架。因此，要想充分發(fā)揮CPS的功能，首要的任務就是不斷地開發(fā)與完善系統(tǒng)體系。

CPS中各個單元模塊不僅僅是獨立完成的，模塊和模塊之間有信息的交流。上下級模塊之間、同級模塊之間、不同功能模塊之間，可通過不同方法實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡與各種控制系統(tǒng)及傳輸網(wǎng)絡的連接。這種結(jié)構(gòu)一方面加強了對外界變化的敏感度，形成資源的交流；另一方面，還可以按照人的意愿對檢測到的結(jié)果進行處理，營造資源共同利用的氛圍。在具有計算功能的系統(tǒng)中，它的子模塊內(nèi)部具有緊密的聯(lián)系，具有不同功能的模塊經(jīng)過關(guān)聯(lián)后，使得整個CPS的性能大大提升。提高CPS性能的最為關(guān)鍵的方法就是要不斷強化系統(tǒng)內(nèi)部模塊的緊密聯(lián)系性。各個模塊的功能具有多樣性，而且每個模塊均可能擁有一種或多種功能，具體結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)如圖2所示。

圖2 CPS中各單元模塊關(guān)聯(lián)圖

2 軌道交通的安全控制

在軌道交通的控制系統(tǒng)中，對于列車的安全控制可分為對列車速度的安全控制和對列車方向的安全控制。對列車速度的安全控制就是對列車許可的控制，即在一定的范圍內(nèi)根據(jù)周圍情況決定列車運行速度曲線，保障在出現(xiàn)緊急情況下可以在安全范圍內(nèi)停車。對列車方向的控制是對列車即將行進的路徑進行規(guī)劃。因此，對于軌道交通的安全控制可分為以下三方面來完成。

（1）基于車間通信的安全控制：很多CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)都運用移動授權(quán)的閉塞方法，在保障安全的前提下，利用列車間速度控制曲線的動態(tài)規(guī)劃來提高運營效率。本文利用本車和相鄰列車之間的通信協(xié)同來對本車的移動授權(quán)進行智能規(guī)劃，以保障同一線路上前后車的安全速度并保障相鄰線路上的鄰車在占用道岔時不產(chǎn)生側(cè)面沖突。通信可采用無線自組織網(wǎng)絡的架構(gòu)［4］。

（2）基于車地通信的安全控制：車地之間的通信可以將地面的信息告知于“車”，比如前方的限速和線路狀態(tài)等信息，“車”可以根據(jù)這些信息結(jié)合自身列車之間的速度與距離，進一步智能規(guī)劃其動態(tài)路徑和移動授權(quán)。另一方面，車可以將自身的信息告知于地面節(jié)點，使地面設備可以得知“車”的信息（包含目的及優(yōu)先權(quán)等信息），再結(jié)合感知的周圍環(huán)境信息完成地面設備的功能，即為列車安排出安全有效的行進路徑。

（3）基于地面設備間通信的安全控制：當?shù)孛嬖O備接收到車的信息后，需要完成自身的功能。而地面設備的功能可以進一步簡化為對于列車方向的控制，即道岔根據(jù)自身狀態(tài)和列車信息交互協(xié)同完成對該列車的方向控制。而且，在取消集中控制設備的情況下地面設備是分布式地、共同決策、協(xié)同工作來完成控制的。在線路拓撲和安全實時的約束條件下，分布式地詢問并安排出進路，并通過列車的移動授權(quán)來對設備進行鎖定占用和之后的解鎖功能。

3 節(jié)點分層結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述CPS的特性，再將其運用到軌道交通的信號控制系統(tǒng)中。

首先最底層為設備的自治功能層，即在沒有通信協(xié)同的控制下也能在確保安全，并完成自身功能所要求的控制任務。該層是基本功能層，自治表示其行動上的獨立性。節(jié)點清晰地對待所處的環(huán)境，感知和作用于其所處的環(huán)境，能對環(huán)境發(fā)生的改變及時做出響應。此外節(jié)點不僅能對所處環(huán)境做出響應也能主動展現(xiàn)其面向目標的行為［5］。

其次是信息層，該層為該節(jié)點提供通信保障。從安全通信的角度出發(fā)，將信息打包加密成多播或單播通信包傳輸給指定節(jié)點的信息層，以供協(xié)同層進行協(xié)同決策。所有節(jié)點都是通過該層來互相鏈接的，而且信息的實時性是保證系統(tǒng)安全的重要組成部分［6］。此外，列車節(jié)點之間和列車節(jié)點與地面節(jié)點之間均通過無線通信進行傳輸，而地面節(jié)點之間通過以太網(wǎng)鏈接。

最上層為協(xié)同層。協(xié)同層利用自治層對于本節(jié)點狀態(tài)信息的采集和信息層對其余周圍節(jié)點接收到的信息綜合于該層。協(xié)同層在這些信息的綜合評估下給予局部最優(yōu)解然后輸出控制命令，通過控制自治層進行相應的控制操作。

4 具體設計

在具體設計前提出如下的先提條件：

（1）為了優(yōu)化列車運營效率，列車自身的移動授權(quán)（Moving Authority，MA）設計為其從本時刻起的剎車距離DBrake再加上一定的安全防護距離DSafe，即為移動授權(quán)距離DMA。列車的MA所覆蓋的軌道區(qū)段不可以有任何其他互斥的物體，包括施工人員、其他列車等。被MA所覆蓋的道岔需被鎖定，不可進行搬動。

（2）地面節(jié)點是在已知其上游有哪些相鄰節(jié)點和下游有哪些相鄰節(jié)點的情況下工作的，而且這些相鄰節(jié)點之間都是由物理軌道區(qū)間相連的。有這樣的鏈路拓撲關(guān)系就可以表達一個站場的物理特征，在尋找路徑時提供便利。

（3）本CPS的運行環(huán)境是在一個物理站場環(huán)境下的，故本系統(tǒng)的安全控制角度都是從列車進站和出站角度出發(fā)考慮，不考慮區(qū)間列車安全控制和其余情況。

4.1 地面間功能節(jié)點的設計

4.1.1 信號節(jié)點設計

在本CPS分布式列車控制系統(tǒng)中，信號節(jié)點作為車站的邊界節(jié)點提供移動的列車接入到該車站CPS網(wǎng)絡的接口，為列車開放是否可以進入車站的信號；此外，還提供列車進出站臺的信號。該節(jié)點的自治層上傳實時信號機的狀態(tài)，并執(zhí)行下發(fā)控制點燈命令。主要完成的控制任務有：完成進路搜索、選岔、選排一致性檢查、鎖閉、信號開放及保持等［7］。

信號節(jié)點的主要功能為進路搜索（Searching Route，SR），進路搜索采用多播的方式對該節(jié)點的下游節(jié)點傳輸車輛信息和目的地信息，如果到達終點（站臺信號機節(jié)點）就對該搜索的進路進行回溯。圖3為進站信號節(jié)點進行SR過程的流程圖；圖4為站臺信號節(jié)點和岔區(qū)的道岔節(jié)點進行回溯過程的流程圖。

4.1.2 道岔節(jié)點的設計

道岔節(jié)點通常位于車站CPS的岔區(qū)中，屬于中間節(jié)點，在地面節(jié)點的尋路過程中屬于傳遞的中間節(jié)點；同時道岔也是對列車方向控制的直接節(jié)點。所以在SR過程中道岔節(jié)點的協(xié)同工作顯得尤為重要。圖5是道岔節(jié)點在SR過程中的流程圖。

4.2 列車間功能節(jié)點設計

列車節(jié)點在本CPS環(huán)境下的分布式列車控制系統(tǒng)中處于重要地位，列車之間通過協(xié)同控制來保證前后列車不會發(fā)生碰撞。圖6為列車節(jié)點的協(xié)同層功能如何防止前后列車產(chǎn)生碰撞的流程圖。

圖3 信號節(jié)點SR過程流程圖

圖4 信號節(jié)點回溯過程流程圖

圖6 列車間協(xié)同規(guī)劃MA流程圖

4.3 車地間功能節(jié)點設計

4.3.1 道岔節(jié)點設計

車地間功能主要包括道岔節(jié)點與列車節(jié)點之間協(xié)同決策以保障列車在側(cè)面不沖突的情況下提高列車的通行效率。因為列車在進站和出站的過程中必然要經(jīng)過道岔，所以道岔是運行路徑上的一個重要節(jié)點［8］。本文提出道岔節(jié)點可存有一張表格表示為該節(jié)點的鎖閉信息，即為預計列車到達的時刻和預計離開占用的時刻，再加上自己啟動轉(zhuǎn)轍機的時間和防護時間，該時間段即為該列車的預定MA鎖閉時間信息。該鎖閉信息是在與列車周期通信中不斷更新的，且在周期刷新后告知所有預計通過該節(jié)點的列車，以保證在該節(jié)點上算法的局部效率最高。圖7為道岔節(jié)點在此功能下的工作流程圖。

圖7 道岔節(jié)點工作流程圖

4.3.2 列車節(jié)點設計

列車在地面節(jié)點與前方同一路徑上列車節(jié)點通信后可得知每一條可達路徑的各方面信息（包括每條路徑的長度，可通行的最大速度，限速的長度和最大速度，根據(jù)前方列車的位置、速度等）實現(xiàn)CPS環(huán)境下列車MA的智能動態(tài)規(guī)劃。該規(guī)劃機制是利用一種綜合評價機制，在選擇一條效率最高的路徑的基礎上將MA進行智能規(guī)劃，以達到列車通行效率的極大化。圖8為列車節(jié)點的智能動態(tài)規(guī)劃MA流程圖。

本CPS中列車節(jié)點在車地安全通信的基礎上達到動態(tài)智能規(guī)劃的方法是采用一種符合CPS分布式軌道交通環(huán)境下的路徑評估算法。該算法是結(jié)合改進的Dijkstra算法和權(quán)值排序優(yōu)化策略的評估算法。在權(quán)值排序優(yōu)化算法中加以分層和算法改進，結(jié)合Dijkstra算法對預計路徑局部最優(yōu)解從而綜合得出列車在進入車站時的局部最優(yōu)路徑。而在每列車都利用局部最優(yōu)路徑時就可以得到本車站CPS環(huán)境下的全局最優(yōu)解，以最小化加權(quán)延遲總和（Total Weighted Tardiness，TWT）為優(yōu)化調(diào)度的目標［9］。從而可以在列車運營密度較大時進一步擴大運行效率，節(jié)約運行成本。此外，列車可以實時與前方車站的地面節(jié)點協(xié)同通信，得知與本CPS相關(guān)的信息，以達到在前方出現(xiàn)突發(fā)情況（設備故障或突發(fā)險情）時可以動態(tài)改變路徑，保障列車順利運行，全力避免事故損失，提高系統(tǒng)的容錯率。

圖8 列車智能動態(tài)規(guī)劃MA流程圖

5 性能評估

5.1 可拓展性

現(xiàn)有的車站列車信號控制系統(tǒng)由車站聯(lián)鎖、列控中心、LEU（軌旁電子單元）集中監(jiān)控中心、臨時限速服務器等許多設備組成。而在站場的改建過程中，不僅要對底層的物理設備進行更改，更需要對各個列車信號控制設備軟件及硬件進行升級更新。這是一個十分復雜的工作，往往需要消耗大量的人力和物力。

在本CPS環(huán)境下的列車信號控制系統(tǒng)屬于分布式的控制系統(tǒng)，每個節(jié)點都可以單獨工作和協(xié)同工作。在改建站場的過程中只需要增加必要的節(jié)點，并配置其物理位置和連通性（即配置其上下游節(jié)點的傳輸鏈表），最后更新集中監(jiān)控設備即可。另外，在應用到新建站場中，本系統(tǒng)擁有更多的便捷性，將鏈表配置好的節(jié)點直接接入車站系統(tǒng)網(wǎng)絡中即可。

由此可見，本CPS環(huán)境下的列車信號控制系統(tǒng)在可拓展性上擁有優(yōu)勢。

5.2 靈活性

在列車信號控制系統(tǒng)中，靈活性可以從列車的智能動態(tài)路徑選擇過程中體現(xiàn)出來。現(xiàn)有的CBTC系統(tǒng)中列車的行進路線由聯(lián)鎖來完成，而這其中的路線都是提前定義好的進路，在靈活性上不能做到智能動態(tài)選擇最佳路徑。而本CPS環(huán)境下的列車信號控制系統(tǒng)在列車節(jié)點端可以根據(jù)前方線路情況和列車情況動態(tài)地智能選擇最佳路徑。并且，在臨時事故發(fā)生的情況下后方列車可以快速感知從而決定可更換更具效率的路徑，從而增加系統(tǒng)的靈活性。

由此可見，CPS環(huán)境下的列車信號控制系統(tǒng)更具靈活性。

5.3 魯棒性

對于系統(tǒng)魯棒性，本文利用系統(tǒng)中節(jié)點有一定概率出現(xiàn)故障的情況下的系統(tǒng)運行效率來進行比對。因此，在仿真前需要對軌道交通系統(tǒng)進行假設：列車在運行過程中，前方的道岔節(jié)點產(chǎn)生故障的概率為1%（為了使CPS環(huán)境下和傳統(tǒng)信號系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)量一致，假設信號機節(jié)點不會發(fā)生故障），在發(fā)生故障的情況下，必須要修理的時間Tfix為120 min；可繞行時增加的時長Tadd為2 min。在上述條件下，本文選取了兩個復雜度不同的車站進行仿真，得到了兩種信號控制系統(tǒng)在可能發(fā)生故障情況下的平均晚點時間，如圖9所示。

圖9 兩種列車信號控制系統(tǒng)在可能故障情況下的平均晚點值

在傳統(tǒng)的列車信號控制系統(tǒng)中，列車在遇到前方道岔出現(xiàn)故障的情況下，一般都是采取停車操作，等待人工調(diào)度或者檢測維修。而本CPS環(huán)境下的列車信號控制系統(tǒng)會由列車節(jié)點智能動態(tài)地規(guī)劃運行路徑，減少節(jié)點故障對列車運營產(chǎn)生的影響，這就是CPS環(huán)境下的系統(tǒng)在魯棒性下的優(yōu)勢體現(xiàn)。因本次比較沒有考慮信號機等其他信號設備的故障情況，故在真實環(huán)境中，分布式信號控制系統(tǒng)的有效性更高。另外從圖9還可以看出，在較大的車站，存在較多道岔節(jié)點的情況下，CPS環(huán)境下列車信號系統(tǒng)的魯棒性較傳統(tǒng)系統(tǒng)更加優(yōu)越。

6 結(jié)語

如今集中式控制設備廣泛運用于軌道交通控制系統(tǒng)中，但它極大地限制了設備的拓展性和系統(tǒng)的魯棒性。本文提出的利用CPS的特性結(jié)合軌道交通的特點，將各個設備簡化為不同類型的節(jié)點，且將節(jié)點分為自治層、信息層、協(xié)同層三層，致使本系統(tǒng)的功能劃分更加清晰，可以更好地確保安全控制。此外，本CPS分布式控制系統(tǒng)中的各個節(jié)點既相互獨立又在網(wǎng)絡環(huán)境中協(xié)同控制，可以達到高可拓展性和強魯棒性。而且，CPS環(huán)境下的分布式軌道交通控制系統(tǒng)還可使列車在運行壓力大的情況下進一步提高運行效率。因此，該系統(tǒng)必將成為未來軌道交通控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。同時這種CPS分布式控制系統(tǒng)還可以推廣運用在生活生產(chǎn)的其他場景中，并帶來魯棒性、靈活性和可拓展性的提高。

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